Wissenschaftler der University of Missouri lüften die Geheimnisse von Halogenid-Perowskiten – einem Material, das bereit ist, unsere Zukunft neu zu gestalten, indem es uns einem neuen Zeitalter energieeffizienter Optoelektronik näher bringt.
Suchi Guha und Gavin King, zwei Physikprofessoren am College of Arts and Science in Mizzou, untersuchen das Material im Nanomaßstab: einem Ort, an dem Objekte für das bloße Auge unsichtbar sind. Auf dieser Ebene kommen die außergewöhnlichen Eigenschaften von Halogenid-Perowskiten zum Leben, dank der einzigartigen Struktur des Materials aus ultradünnen Kristallen, die es erstaunlich effizient bei der Umwandlung von Sonnenlicht in Energie macht.
Denken Sie an Solarmodule, die nicht nur günstiger sind, sondern auch Haushalte weitaus effektiver mit Strom versorgen. Oder LED-Leuchten, die heller brennen, länger halten und gleichzeitig weniger Energie verbrauchen.
„Halogenidperowskite werden als Halbleiter des 21. Jahrhunderts gefeiert“, sagte Guha, der auf Festkörperphysik spezialisiert ist. „In den letzten sechs Jahren hat sich mein Labor darauf konzentriert, diese Materialien als nachhaltige Quelle für die nächste Generation optoelektronischer Geräte zu optimieren.“
Um das Material herzustellen, verwendeten die Wissenschaftler eine Methode namens chemische Gasphasenabscheidung. Es wurde von Randy Burns, einem ehemaligen Doktoranden von Guha, in Zusammenarbeit mit Chris Arendse von der University of the Western Cape in Südafrika entwickelt und optimiert. Und weil es skalierbar ist, kann es problemlos zur Massenproduktion von Solarzellen verwendet werden.
Guhas Team untersuchte die grundlegenden optischen Eigenschaften von Halogenid-Perowskiten mithilfe ultraschneller Laserspektroskopie. Um das Material für verschiedene elektronische Anwendungen zu optimieren, wandte sich das Team an King.
King, der hauptsächlich mit organischen Materialien arbeitet, verwendete eine Methode namens Eislithographie, die für ihre Fähigkeit bekannt ist, Materialien im Nanometerbereich herzustellen. Bei der Eislithographie muss das Material auf kryogene Temperaturen gekühlt werden – typischerweise unter -150 °C (-238 °F). Diese ultrakühle Methode ermöglichte es dem Team, mithilfe eines Elektronenstrahls unterschiedliche Eigenschaften für das Material zu erzeugen.
Er setzt die Methode mit der Verwendung eines „Nanometermeißels“ gleich.
„Indem wir komplizierte Muster auf diesen dünnen Filmen erzeugen, können wir Geräte mit unterschiedlichen Eigenschaften und Funktionalitäten herstellen“, sagte King, der auf biologische Physik spezialisiert ist. „Diese Muster entsprechen der Entwicklung der Basis- oder Grundschicht in der optischen Elektronik.“
Durch Zusammenarbeit zum Erfolg führen
Obwohl Guha und King in verschiedenen Bereichen der Physik arbeiten, sagten sie, dass diese Zusammenarbeit sowohl ihnen als auch ihren Studenten zugute gekommen sei.
„Ich finde es spannend, weil ich alleine nur eine begrenzte Menge Dinge tun kann, sowohl experimentell als auch theoretisch“, sagte Guha. „Aber wenn man zusammenarbeitet, bekommt man einen vollständigen Überblick und die Chance, neue Dinge zu lernen. Beispielsweise arbeitet Gavins Labor mit biologischen Materialien, und indem wir dies mit unserer Arbeit in der Festkörperphysik kombinieren, entdecken wir neue Anwendungen, die wir nutzen.“ hatte vorher nicht darüber nachgedacht.
King stimmt zu.
„Jeder bringt eine einzigartige Perspektive mit, und das macht es möglich“, sagte King. „Wenn wir alle gleich ausgebildet wären, würden wir alle gleich denken, und das würde es uns nicht ermöglichen, hier gemeinsam so viel wie möglich zu erreichen.“
